CN105568400A - 超声波辅助静电纺丝仪 - Google Patents

Abstract

一种超声波辅助静电纺丝仪，其特征是它是由纺丝机主体、变幅杆部分探入纺丝机主体内部且通过换能器部分固定在纺丝机主体上的超声波振动装置、通过供液管与纺丝机主体下部供液口相连的供液装置、通过纺丝口与纺丝机主体相连的纺丝喷嘴、连接纺丝喷嘴与高压发生器的高压线、和通过高压线与纺丝喷嘴相连的高压发生器、以及位于纺丝喷嘴下方的接收装置共同组成的。该纺丝仪通过超声波振动的耦合作用不仅能够有效降低静电纺丝溶液和熔体的粘度，扩大机器的静电可纺浓度范围，而且还可有效减小纤维的直径，降低纤维的结构缺陷，提高纤维结晶度，从而实现提高静电纺纳米纤维的机械性能的目标。

Description

超声波辅助静电纺丝仪

技术领域

本发明涉及一种超声波辅助静电纺丝仪，尤其是一种适用于高粘度溶液和熔体静电纺丝的超声波辅助静电纺丝仪。

背景技术

静电纺丝技术是制备和研究纳米纤维的焦点技术之一，其所涉及的原材料已经从传统纤维原料扩展到各种新型导电聚合物、相变材料、生物材料甚至水凝胶，其纳米纤维的应用研究范围也涵盖了从过滤防护、能源电池、生物组织工程、电磁传感、航天军工和农业覆盖等当前绝大多数纳米技术焦点研究领域。因此，研究和发展静电纺丝技术无论是在工业经济还是军事国防上都具有国际性战略地位。虽然相关研究工作已非常普及，但静电纺丝技术仍面临着困境——静电纺纳米纤维的机械性能极差，无法满足实际应用需要，成为了静电纺纳米纤维工业化推广应用的发展瓶颈。

静电纺纳米纤维的低机械性能是由于其结构缺陷过多且缺乏结晶结构造成。与传统纺丝方法不同，静电纺丝是对聚合物溶液或熔体施加高压静电，使其在毛细管口形成泰勒锥，并利用电场力克服锥体的表面张力形成射流,继而高速拉伸固化成丝的一种技术。对于聚合物溶液纺丝而言，为保证电场力能够克服泰勒锥的表面张力顺利纺丝，聚合物溶液静电可纺的粘度范围非常低，这就意味着聚合物溶液中含有大量的溶剂，纤维成型过程中因而极易因溶剂的挥发而形成了大量的的结构缺陷。而对于聚合物熔融静电纺而言，熔体粘度一般都偏高，因而静电熔融纺聚合物的纤维一般都在微米级，并不是纳米纤维。

超声波具有束射性强、易于集中能量等特点，在高分子材料加工领域受到极大的关注和重视。国内外专家学者对超声波振动叠加聚合物熔融加工研究表明，超声辐射可以提高熔体流动性、降低挤出压力、改善制品的结晶结构和机械性能。我们的实验研究也证明通过超声波对静电纺丝液进行处理后所得的静电纺纤维直径更细、结晶度更高、纤维的强度也得到了相应的提高(Cao,Q.,Y.Wan,etal.,IranianPolymerJournal,1-7,2014；Qiang,J.,Y.Q.Wan,etal.,JournalofNanoResearch,23(96-103)，2013；Wan,Y.,J.Qiang,etal.,AdvancedMaterialsResearch,843(9-13),2014)。但是，超声波处理对静电纺丝液的作用会随着时间的延长而消弱。为此，需要设计一个具有时效性的超声波共轭静电纺丝仪。

发明内容

为了克服静电纺丝技术只适用于低粘度聚合物溶液和熔融静电纺只能制备微米级尺寸的纤维的困难，本发明提供一种超声波辅助静电纺丝仪，尤其是一种适用于高粘度溶液和熔体静电纺丝的超声波辅助静电纺丝仪，该静电纺丝仪不仅能够有效降低静电纺丝溶液和熔体的粘度，从而扩大聚合物溶液的静电可纺浓度范围，而且还可有效减小纤维的直径，降低纤维的结构缺陷，从而实现提高静电纺纳米纤维的机械性能的目标。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声波辅助静电纺丝仪，其特征是它是由纺丝机主体、变幅杆部分从纺丝机主体上部的超声波振动装置探口探入纺丝机主体内部且通过换能器部分固定在纺丝机主体上的超声波振动装置、通过供液管与纺丝机主体下部供液口相连的供液装置、通过纺丝口与纺丝机主体相连的纺丝喷嘴、连接纺丝喷嘴与高压发生器的高压线、和通过高压线与纺丝喷嘴相连的高压发生器、以及位于纺丝喷嘴下方的接收装置共同组成的；

所述的纺丝机主体，其特征在于，它是由主机体和机腔两部分组成的；

所述的主机体，其特征在于，它是由位于主机体振动腔上部的超声波振动装置探口、位于主机体振动腔下部供液口、和位于纺丝腔下部的纺丝口组成的，且主体部分由内部绝缘层、位于绝缘层和隔热层之间的控温层、位于控温层和机壳之间的隔热层和位于隔热层外部的机壳组成的，其内部绝缘层所选用的材料为绝缘、耐高温、耐腐蚀的聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚酰亚胺、陶瓷中的一种，其控温层为与外部电源和控制器相连、内部埋有电热丝、控温范围为22-200℃的加热层，其隔热层所选用的材料为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等材料中的一种，外壳为普通不锈钢或塑料材料；

所述的超声波振动装置探口，其特征在于，它是主机体上的圆柱形开口，其下半部分直径略大于超声波震动装置的变幅杆外径，其上半部直径略大于超声波振动装置的换能器部分且可通过紧固装置将超声波振动装置的换能器部分固定在主机体上；

所述的纺丝口，其特征在于，它具有与纺丝喷嘴相匹配的螺纹结构，可用于固定纺丝喷嘴。

所述的机腔，其特征在于，它是由位于主机体内且上部相连通的振动腔和纺丝腔两个腔体组成的，且两腔相连通的起点至少在振动腔腔体2/3处以上；

所述的超声波振动装置，其特征在于，它是由超声波振动装置探口探入纺丝机主体振动腔内的变幅杆、与变幅杆相连并嵌在超声波振动装置探口上半部并且底部与超声波振动装置探口之间垫有耐腐蚀密封垫圈且通过紧固装置固定在纺丝机主机体上的换能器、连接换能器和超声波控制器的线缆、以及通过线缆与换能器相连的超声波控制器组成的；

所述的变幅杆，其特征在于，它外部有一层隔热层且隔热层外部为耐腐蚀绝缘层、其顶端探入纺丝机主体振动腔的整体长度超过振动腔高度的2/3且距离振动腔底部至少0.5mm；

所述的换能器，其特征在于，它外部绝缘，并通过耐腐蚀密封垫圈与超声波振动装置探口内壁形成密封；

所述的超声波控制器，其特征在于，它的超声频率为13KHZ～75KHZ连续可调，功率从0～3000W连续可调，具有间隙振动和连续振动两种模式且间歇时间间隔可调；

所述的供液装置，其特征在于，它是由贮液箱、连通贮液箱与供液泵及供液泵与纺丝机主机体上的供液口的供液管、和通过供液管与贮液箱相连的供液泵组成的；

所述的贮液箱，其特征在于，它是由箱体、加料口和加料口塞组成的，且其箱体部分是由内部绝缘层、位于绝缘层和隔热层之间的控温层、位于控温层和外壳之间的隔热层和位于隔热层外部的机壳组成的，其控温层的温控范围为22～200℃；

所述的供液泵，其特征在于，它的供液速度为0.1ml/h～50ml/h可调；

所述的供液管，其特征在于，它的管壁由里至外依次为耐腐蚀绝缘层、隔热层和外壳；

所述的高压发生器，其特征在于它的工作电压为0～50kV连续可调；

所述的接收装置，其特征在于，它位于纺丝喷嘴下方5～55cm，且是接地的静止金属板或金属网或者具有连续卷绕功能的金属片或金属网帘。

本发明的有益效果是，所提供的一种超声波辅助静电纺丝仪，尤其是一种适用于高粘度溶液和熔体静电纺丝的超声波辅助静电纺丝仪，通过超声波振动的耦合作用不仅能够有效降低静电纺丝溶液和熔体的粘度，扩大机器的静电可纺浓度范围，而且还可有效减小纤维的直径，降低纤维的结构缺陷，提高纤维结晶度，从而实现提高静电纺纳米纤维的机械性能的目标。

附图说明

图1为本发明的一种超声波辅助静电纺丝仪的实施例结构示意图；

图2为本发明的一种超声波辅助静电纺丝仪的纺丝机主体结构示意图；

图中，1-纺丝机主体、11-主机体、111-超声波振动装置探口、112-供液口、113-纺丝口、12-机腔、121-振动腔、122-纺丝腔、2-超声波振动装置、21-变幅杆、22-换能器、23-线缆、24-超声波控制器、3-供液装置、31-贮液箱、311-箱体、312-加料口、313-加料口塞、32-供液管、33-供液泵、4-纺丝喷嘴、5-高压线、6-高压发生器、7-接收装置。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

具体实施方式

在图1中，纺丝液通过供液装置(3)的贮液箱(31)上部的加料口(312)被加入贮液箱(31)的箱体(311)内，然后在供液泵(33)的作用下通过供液管(32)从箱体(311)经过纺丝机主体(1)的主机体(11)下部的供液口(112)泵入纺丝机主体(1)的机腔(12)的振动腔(121)；从纺丝机主体(1)的主机体(11)上部的超声波振动装置探口(111)探入纺丝机主体(1)的机腔(12)的振动腔(121)的超声波振动装置(2)的变幅杆(21)与与其相连的换能器(22)在通过线缆(23)与其相连的超声波控制器(24)的控制下开始对振动腔(121)内的纺丝液施加超声波振动作用；随着纺丝液的增多，经过超声波作用的纺丝液通过纺丝机主体(1)的机腔(12)的振动腔(121)与纺丝腔(122)的上部连通部分，从振动腔(121)溢入纺丝腔(122)；当溶液充满两个腔体后，纺丝液在供液泵(33)的作用下，通过纺丝口(113)流出通过螺纹结构固定在主机体(11)上的纺丝喷嘴(4)并在通过高压线(5)与纺丝喷嘴(4)相连的高压发生器(6)所产生的高压的作用下开始形成射流，开始纺丝；射流在空气中极速固化并最终落在位于纺丝喷嘴(4)下端的接收装置(7)上，从而完成纺丝成型过程。其中，供液装置(3)的贮液箱(31)上部的加料口(312)在不供液时是通过加料口塞(313)密闭的；超声波振动装置(2)的换能器与纺丝机主体(1)的主机体(11)的超声波振动装置探口(111)之间通过耐腐蚀密封垫圈形成密封。

Claims (16)

1.一种超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：它是由纺丝机主体、变幅杆部分从纺丝机主体上部的超声波振动装置探口探入纺丝机主体内部且通过换能器部分固定在纺丝机主体上的超声波振动装置、通过供液管与纺丝机主体下部供液口相连的供液装置、通过纺丝口与纺丝机主体相连的纺丝喷嘴、连接纺丝喷嘴与高压发生器的高压线、和通过高压线与纺丝喷嘴相连的高压发生器、以及位于纺丝喷嘴下方的接收装置共同组成的。

2.根据权利要求1所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的纺丝机主体是由主机体和机腔两部分组成的。

3.根据权利要求1和2所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的纺丝机的主机体是由位于主机体振动腔上部的超声波振动装置探口、位于主机体振动腔下部供液口、和位于纺丝腔下部的纺丝口组成的，且主体部分由内部绝缘层、位于绝缘层和隔热层之间的控温层、位于控温层和机壳之间的隔热层和位于隔热层外部的机壳组成的，其内部绝缘层所选用的材料为绝缘、耐高温、耐腐蚀的聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚酰亚胺、陶瓷中的一种，其控温层为与外部电源和控制器相连、内部埋有电热丝、控温范围为22-200℃的加热层，其隔热层所选用的材料为玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等材料中的一种，外壳为普通不锈钢或塑料材料。

4.根据权利要求2和3所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述纺丝机主机体上的超声波振动装置探口是主机体上的圆柱形开口，其下半部分直径略大于超声波震动装置的变幅杆外径，其上半部直径略大于超声波振动装置的换能器部分且可通过紧固装置将超声波振动装置的换能器部分固定在主机体上。

5.根据权利要求2和3所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述纺丝机主机体上的纺丝口，其特征在于，它具有与纺丝喷嘴相匹配的螺纹结构，可用于固定纺丝喷嘴。

6.根据权利要求1和2所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的纺丝机的机腔是由位于主机体内且上部相连通的振动腔和纺丝腔两个腔体组成的，且两腔相连通的起点至少在振动腔腔体2/3处以上。

7.根据权利要求1所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的超声波振动装置是由超声波振动装置探口探入纺丝机主体振动腔内的变幅杆、与变幅杆相连并嵌在超声波振动装置探口上半部并且底部与超声波振动装置探口之间垫有耐腐蚀密封垫圈且通过紧固装置固定在纺丝机主机体上的换能器、连接换能器和超声波控制器的线缆、以及通过线缆与换能器相连的超声波控制器组成的。

8.根据权利要求1和7所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述超声波振动装置的变幅杆外部有一层隔热层且隔热层外部为耐腐蚀绝缘层、其顶端探入纺丝机主体振动腔的整体长度超过振动腔高度的2/3且距离振动腔底部至少0.5mm。

9.根据权利要求1和7所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述超声波振动装置的换能器外部绝缘，并通过耐腐蚀密封垫圈与超声波振动装置探口内壁形成密封。

10.根据权利要求1和7所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述超声波振动装置的超声波控制器的超声频率为13KHZ～75KHZ连续可调，功率从0～3000W连续可调，具有间隙振动和连续振动两种模式且间歇时间间隔可调。

11.根据权利要求1所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的供液装置是由贮液箱、连通贮液箱与供液泵及供液泵与纺丝机主机体上的供液口的供液管、和通过供液管与贮液箱相连的供液泵组成的。

12.根据权利要求1和11所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的供液装置的贮液箱是由箱体、加料口和加料口塞组成的，且其箱体部分是由内部绝缘层、位于绝缘层和隔热层之间的控温层、位于控温层和外壳之间的隔热层和位于隔热层外部的机壳组成的，其控温层的温控范围为22～200℃。

13.根据权利要求1和11所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的供液装置的供液泵的供液速度为0.1ml/h～50ml/h可调。

14.根据权利要求1和11所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的供液装置的供液管，其管壁由里至外依次为耐腐蚀绝缘层、隔热层和外壳。

15.根据权利要求1所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的高压发生器的工作电压为0～50kV连续可调。

16.根据权利要求1所述的超声波辅助静电纺丝仪，其特征是：所述的接收装置位于纺丝喷嘴下方5～55cm，且是接地的静止金属板或金属网或者具有连续卷绕功能的金属片或金属网帘。